8. Электровакуумные приборы диапазонасверхвысоких частот Особенности движения электронов в свч полях
В диапазоне сверхвысоких частот проявляется соизмеримость периодаколебаний с временем пролёта электронов между электродами. Последнееобычно составляет 10-8 – 10-10с, поэтому уже на частотах 108 – 109 Гц(метровые и дециметровые волны) время пролёта оказывается равнымпериоду колебаний, а на сантиметровых и дециметровых волнах онопревышает период колебаний на порядки величины. Это приводит к сдвигуфазы поля в приборе за время движения электронов между электродами.
Угол сдвига фаз, называемый углом пролёта, связан с временем пролёта
следующим образом:
(2.9)
Оценки угла пролёта могут быть сделаны исходя из выражений
(2.10)
для электронов, движущихся в поле, и
(2.11)
для электронов, движущихся по инерции.
Уже на частоте 1ГГц угол пролёта составляет несколько радиан иизменение фазы поля делает невозможным работу низкочастотных приборовв СВЧ диапазоне. Кроме того, в диапазоне сверхвысоких частотиндуктивности вводов лампы и междуэлектродные ёмкости оказываютсясоизмеримыми с соответствующими параметрами элементов внешней цепи, что также не позволяет использовать низкочастотные приборы в цепях СВЧ.
Миниатюризация приборов и выбор рациональной конструкции лампыпозволяют расширить частотный диапазон, но не решают проблему впринципиальном плане, поэтому появилась необходимость использованияиных принципов усиления и генерации электромагнитных колебаний насверхвысоких частотах, в частности, полезное использование конечноговремени пролета электронов между электродами, что соответствуетдинамическому режиму работы прибора.
Целью любого прибора СВЧ является преобразование энергиипостоянного электрического тока в энергию сверхвысокочастотныхколебаний. Поток электронов, проходящий через резонанснуюколебательную систему, создаёт в ней наведённый ток, который, проходячерез нагрузочное сопротивление, создаёт в нём падение напряжения.
Последнее приводит к возникновению в зазоре поля, тормозящегоэлектроны. В результате разность энергий электронов на входе и выходезазора резонансной системы отдаётся внешней цепи. Таким образом, энергияпередаётся во внешнюю цепь в процессе движения электронов в тормозящемэлектрическом поле.
Одиночный электрон или короткий электронный сгусток возбудит врезонаторе затухающие колебания. Для компенсации потерь энергии иэффективной накачки резонатора электронные сгустки нужно подавать врезонатор периодически в фазах, совпадающих с фазой максимальноготормозящего поля. То есть эффективная передача энергии требуетформирования модулированного по плотности электронного потока, чтодостигается с помощью управляющего устройства. В СВЧ приборахиспользуются динамические методы управления, позволяющие оказыватьгруппирующее воздействие на электронный поток без изменения плотностипотока электронов в самом устройстве. Динамическое управлениеэлектронным потоком возможно путём предварительного периодическогоизменения скоростей электронов в управляющем устройстве (скоростнаямодуляция) с последующим преобразованием модулированного по скоростиэлектронного потока в модулированный по плотности в пространстве междууправляющим и выходным устройствами.